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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024140972
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】発振回路、半導体集積回路
(51)【国際特許分類】
   H03B 5/32 20060101AFI20241003BHJP
【FI】
H03B5/32 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023052371
(22)【出願日】2023-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】古謝 望
(72)【発明者】
【氏名】本木 健一
【テーマコード(参考)】
5J079
【Fターム(参考)】
5J079AA04
5J079BA22
5J079EA16
5J079FA05
5J079FA14
5J079FA21
5J079FB01
5J079FB07
5J079FB09
5J079FB48
5J079GA05
(57)【要約】
【課題】発振回路の消費電流を抑えつつ、起動時間を短縮する。
【解決手段】第1端子INは、水晶振動子102の第1端が接続され、第2端子OUTは、水晶振動子102の第2端が接続される。第1抵抗R1は、第1端子INと第2端子OUTの間に接続される。第1トランジスタM1は、ソースが接地され、ゲートが第1端子INと接続され、ドレインが第2端子OUTと接続される。第2トランジスタM2は、ドレインが第1トランジスタM1のドレインと接続され、ゲートにバイアス電圧Vbが印加される。発振回路200の起動時における第2トランジスタM2の電流供給能力が、発振回路200の定常発振中の電流供給能力に比べて大きいる。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
発振回路であって、
水晶振動子の第1端が接続されるべき第1端子と、
水晶振動子の第2端が接続されるべき第2端子と、
前記第1端子と前記第2端子の間に接続された第1抵抗と、
ソースが接地され、ゲートが前記第1端子と接続され、ドレインが前記第2端子と接続されたNチャンネルの第1トランジスタと、
ドレインが前記第1トランジスタの前記ドレインと接続され、ゲートにバイアス電圧が印加されたPチャンネルの第2トランジスタと、
を備え、前記発振回路の起動時における前記第2トランジスタの電流供給能力が、前記発振回路の定常発振中の前記電流供給能力に比べて大きい、発振回路。
【請求項2】
ゲートおよびソースが、前記第2トランジスタの前記ゲートと接続されており、前記第2トランジスタとともにカレントミラー回路を形成するPチャンネルの第3トランジスタをさらに備える、請求項1に記載の発振回路。
【請求項3】
前記第2トランジスタのサイズが可変である、請求項2に記載の発振回路。
【請求項4】
前記第2トランジスタのサイズが2段階で切り替え可能である、請求項3に記載の発振回路。
【請求項5】
前記第2トランジスタのサイズが多段階で切り替え可能である、請求項3に記載の発振回路。
【請求項6】
前記第3トランジスタに電流を供給する電流源をさらに備え、
前記電流源が生成する電流が可変である、請求項2に記載の発振回路。
【請求項7】
前記電流源が生成する電流が、第1電流量から、前記第1電流量より少ない第2電流量に向かって連続的に減少する、請求項6に記載の発振回路。
【請求項8】
前記電流源は、
第1端が接地された第2抵抗と、
第1端が前記第2抵抗の第2端と接続された第4トランジスタと、
出力が前記第4トランジスタのゲートと接続され、第1入力が前記第2抵抗の前記第2端と接続されたオペアンプと、
前記オペアンプの第2入力に、起動開始から時間とともに低下する基準電圧を供給する電圧源と、
を含む、請求項7に記載の発振回路。
【請求項9】
前記電圧源は、
キャパシタと、
起動開始前に、前記キャパシタを充電する充電回路と、
起動開始後に、前記キャパシタを放電する放電回路と、
を含み、前記キャパシタの電圧が、前記基準電圧である、請求項8に記載の発振回路。
【請求項10】
請求項1から9のいずれかに記載の発振回路を備える、半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、発振回路に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体集積回路において、高精度な周波数のクロック信号を生成するために、水晶発振器が利用される。水晶発振器は、半導体集積回路に外付けされる水晶振動子と、半導体集積回路に集積化される発振回路を備える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
半導体集積回路の低消費電力化の要請が高まっており、発振回路の消費電流も例外ではない。しかしながら、発振回路の消費電流と起動時間はトレードオフの関係にあり、消費電流を減らすと、起動時間が長くなってしまう。
【0004】
本開示は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、消費電流を抑えつつ、起動時間を短縮した発振回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示のある態様の発振回路は、水晶振動子の第1端が接続されるべき第1端子と、水晶振動子の第2端が接続されるべき第2端子と、第1端子と第2端子の間に接続された第1抵抗と、ソースが接地され、ゲートが第1端子と接続され、ドレインが第2端子と接続されたNチャンネルの第1トランジスタと、ドレインが第1トランジスタのドレインと接続され、ゲートにバイアス電圧が印加されたPチャンネルの第2トランジスタと、を備え、発振回路の起動時における第2トランジスタの電流供給能力が、発振回路の定常発振中の電流供給能力に比べて大きい。
【発明の効果】
【0006】
本開示のある態様によれば、消費電流を抑えつつ、起動時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1図1は、実施形態に係る発振回路を備える発振器の回路図である。
図2図2は、第2トランジスタの電流供給能力を低い状態で固定したときの動作波形図である。
図3図3は、実施形態に係る水晶発振器の動作波形図である。
図4図4は、実施例1に係る水晶発振器の回路図である。
図5図5は、図4の水晶発振器の具体例を示す回路図である。
図6図6は、実施例2に係る水晶発振器の回路図である。
図7図7は、電流源の構成例を示す回路図である。
図8図8は、電流源が生成する電流を示す図である。
図9図9は、図7の第2電流源の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
【0009】
一実施形態に係る発振回路は、水晶振動子の第1端が接続されるべき第1端子と、水晶振動子の第2端が接続されるべき第2端子と、第1端子と第2端子の間に接続された第1抵抗と、ソースが接地され、ゲートが第1端子と接続され、ドレインが第2端子と接続されたNチャンネルの第1トランジスタと、ドレインが第1トランジスタのドレインと接続され、ゲートにバイアス電圧が印加されたPチャンネルの第2トランジスタと、を備え、発振回路の起動時における第2トランジスタの電流供給能力が、発振回路の定常発振中の電流供給能力に比べて大きい。
【0010】
この態様によると起動中は、第1トランジスタの負荷である第2トランジスタの電流供給能力が高くなることにより、第1トランジスタの応答速度が速くなり、高速に起動することができる。起動完了後、定常発振している間は、第2トランジスタの電流供給能力を低下させることにより、消費電力を抑制できる。
【0011】
一実施形態において、発振回路は、ゲートおよびソースが、第2トランジスタのゲートと接続されており、第2トランジスタとともにカレントミラー回路を形成するPチャンネルの第3トランジスタをさらに備えてもよい。
【0012】
一実施形態において、発振回路は、第2トランジスタのサイズが可変であってもよい。起動時には第2トランジスタのサイズを大きくすることで、第1トランジスタに供給する電流を大きくできる。定常発振中は、第2トランジスタのサイズを小さくすることで、第1トランジスタに供給する電流を減らすことができる。
【0013】
一実施形態において、発振回路は、第2トランジスタのサイズが2段階で切り替え可能であってもよい。2段階とすることで、起動時の制御が簡素化できる。
【0014】
一実施形態において、第2トランジスタのサイズが多段階で切り替え可能であってもよい。多段階で切り替えると、第1トランジスタに供給される電流を、段階的に切り替えることができるため、切り替えにともなう周波数変動やデューティサイクルの変動を抑制できる。
【0015】
一実施形態において、発振回路は、第3トランジスタに電流を供給する電流源をさらに備えてもよい。電流源が生成する電流が可変であってもよい。これにより、第2トランジスタに供給されるバイアス電圧を変化させることができ、第2トランジスタの電流供給能力を変化させることができる。
【0016】
一実施形態において、電流源が生成する電流が、第1電流量から、第1電流量より少ない第2電流量に向かって連続的に減少してもよい。これにより、第1トランジスタに供給される電流を、段階的に切り替えることができるため、切り替えにともなう周波数変動やデューティサイクルの変動を抑制できる。
【0017】
一実施形態において、電流源は、第1端が接地された第2抵抗と、第1端が第2抵抗の第2端と接続された第4トランジスタと、出力が第4トランジスタのゲートと接続され、第1入力が第2抵抗の第2端と接続されたオペアンプと、オペアンプの第2入力に、起動開始から時間とともに低下する基準電圧を供給する電圧源と、を含んでもよい。
【0018】
一実施形態において、電圧源は、キャパシタと、起動開始前に、キャパシタを充電する充電回路と、起動開始後に、キャパシタを放電する放電回路と、を含み、キャパシタの電圧が、基準電圧であってもよい。
【0019】
一実施形態に係る半導体集積回路は、上述のいずれかの発振回路を備えてもよい。
【0020】
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0021】
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【0022】
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【0023】
図1は、実施形態に係る発振回路200を備える発振器100の回路図である。水晶発振器100は、水晶振動子102と発振回路200を備える。
【0024】
発振回路200は、半導体集積回路202に集積化されている。半導体集積回路202の機能は特に限定されず、電源IC、モータドライバなどのASIC(Application Specific Integrated Circuit)であってもよいし、マイコンであってもよい。
【0025】
半導体集積回路202は、第1端子INおよび第2端子OUTを有している。第1端子INには、外付け部品である水晶振動子102の一端が接続され、第2端子OUTには、水晶振動子102の他端が接続される。また第1端子IN、第2端子OUTにはそれぞれ、外付けのキャパシタC1,C2が接続される。
【0026】
発振回路200は、第1トランジスタM1、第2トランジスタM2、第1抵抗R1を備える。
【0027】
第1抵抗R1は、第1端子INと第2端子OUTの間に接続される。第1トランジスタM1は、NチャンネルのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。第1トランジスタM1のソースは接地され、ゲートは第1端子INと接続され、ドレインは第2端子OUTと接続される。
【0028】
第2トランジスタM2は、PチャンネルのMOSFETであり、ドレインが第1トランジスタM1のドレインと接続され、ゲートにバイアス電圧Vbが印加される。第2トランジスタM2は、第1トランジスタM1の負荷回路として機能する。
【0029】
第2トランジスタM2は、電流供給能力が可変となっている。発振回路200の起動時における第2トランジスタM2の電流供給能力は、発振回路200の定常発振中の電流供給能力に比べて高められる。制御回路210は、第2トランジスタM2の能力を制御する。なお水晶発振器100は、半導体集積回路202の起動とともに動作を開始するから、水晶発振器100は、半導体集積回路202の起動、すなわち電源電圧Vddの供給をトリガーとして起動を開始してもよい。
【0030】
以上が、発振回路200の構成である。続いてその動作を説明する。
【0031】
比較のために、消費電力を抑制することを優先して、第2トランジスタM2の能力を低い状態で固定したときの動作を説明する。
【0032】
図2は、第2トランジスタM2の電流供給能力を低い状態で固定したときの動作波形図である。図2には、第1端子INの電圧VINおよび第2端子OUTの電圧CLKOUTが示される。起動開始時の時刻tにおいて、第1トランジスタM1はオフであり、出力信号CLKOUTは電源電圧VDD、入力電圧VINは0Vである。入力信号VINと出力信号CLKOUTは相補的な信号である。
【0033】
起動開始とともに、入力信号VINは電源電圧VDDの中点電圧VDD/2に向かって上昇していき、出力信号CLKOUTは中点電圧VDD/2に向かって低下していく。第2トランジスタM2の電流供給能力が低いと、入力信号VINおよび出力信号CLKOUTが中点電圧VDD/2に収束するまでの時間が長くなり、発振開始までに時間がかかる(t)。また発振開始後に、入力信号VINおよび出力信号CLKOUTの振幅は時間とともに増大していくが、第2トランジスタM2の電流供給能力が低いと、振幅の増大速度が遅いため、矩形波のクロック信号CLKが出力されるまでの時間も長くなってしまう。
【0034】
続いて第2トランジスタM2の電流供給能力を変化させる場合の動作を説明する。
【0035】
図3は、実施形態に係る水晶発振器100の動作波形図である。起動時は、第2トランジスタM2の電流供給能力が高いため、入力信号VINおよび出力信号CLKOUTは、短時間で中点電圧VDD/2に収束していき、図2の時刻tよりも早い時刻t’に発振動作が開始する。
【0036】
さらに、第2トランジスタM2の電流供給能力が高いため、振幅の増大速度が、図2の増大速度よりも速くなる。時刻tに振幅が電源電圧VDDにまで達すると、矩形波のクロック信号が出力され、水晶発振器100の起動が完了する。水晶発振器100の起動が完了すると、第2トランジスタM2の電流供給能力が下げられる。これにより、定常的な発振状態における水晶発振器100の消費電流が削減される。
【0037】
この発振回路200によれば、第2トランジスタM2の電流供給能力を変化させることにより、消費電流の増加を抑制しつつ、起動時間を短縮できる。
【0038】
本開示は、図1のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本開示の範囲を狭めるためではなく、本開示や本発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
【0039】
図4は、実施例1に係る水晶発振器100Aの回路図である。発振回路200は、第3トランジスタM3および電流源CS1を備える。第3トランジスタM3は、PチャンネルMOSFETであり、第2トランジスタM2と第3トランジスタM3はカレントミラー回路CM1を形成している。第3トランジスタM3には、電流源CS1が接続されており、定電流IREFが供給される。
【0040】
カレントミラー回路CM1は、カレントミラー比(1:M)が可変に構成されている。具体的には、第2トランジスタM2は、そのトランジスタサイズ(W/L: W:ゲート幅、L:ゲート長)が切り替え可能に構成される。
【0041】
制御回路210は、第2トランジスタM2のサイズを制御することにより、カレントミラー比1:Mを制御する。
【0042】
図5は、図4の水晶発振器100Aの具体例(100Aa)を示す回路図である。第2トランジスタM2は、並列に接続される複数のトランジスタ要素M2_0およびM2_1~M2_nを備える。nは1,または2以上の整数である。トランジスタ要素M2_1~M2_nのソース側には、スイッチSW1~SWnが接続される。i番目(1≦i≦n)のスイッチSWiがオンのとき、それに対応するトランジスタ要素M2_iが第2トランジスタM2の一部として有効となる。
【0043】
トランジスタ要素M2_0のサイズは、定常発振状態における電流供給能力を規定する。トランジスタ要素M2_1~M2_nのサイズは、起動時の電流供給能力を規定する。
【0044】
制御回路210は、複数のスイッチSW1~SWnを制御する。具体的には、起動時において、トランジスタM2の実効的なサイズが時間とともに小さくなるように、複数のスイッチSW1~SWnをシーケンシャル制御する。これにより、カレントミラー回路CM1のカレントミラー比が時間とともに低下していくこととなり、第2トランジスタM2の電流供給能力が時間とともに減少していく。
【0045】
n=1の場合、起動中はスイッチSW1をオン、起動完了後にスイッチSW1をオフすればよいため、制御を簡素化することができる。ただし、スイッチSW1をターンオフする際に、水晶発振器100Aaの周波数変動やデューティサイクルの変動を引き起こす可能性がある。
【0046】
n≧2の場合、起動中に複数のスイッチSW1~SWnをシーケンシャル制御する必要があるため、制御回路210の構成が複雑となるが、第2トランジスタM2のサイズが段階的に切り替わっていくため、水晶発振器100Aaの周波数変動やデューティサイクルの変動を抑制できるという利点がある。
【0047】
図6は、実施例2に係る水晶発振器100Bの回路図である。発振回路200Bにおいて、第2トランジスタM2のサイズは固定であり、その代わりに、電流源CS2は、可変電流源である。制御回路210は、第3トランジスタM3に供給する電流Ivが、起動時には大きく、起動完了後の定常発振状態において小さくなるように、電流源CS2を制御する。
【0048】
図7は、電流源CS2の構成例を示す回路図である。電流源CS2は、定電流Iを生成する第1電流源CS2aと、徐変電流Iを生成する第2電流源CS2bを含む。2つの電流I,Iの合計が、電流Ivとして第3トランジスタM3に供給される。第2電流源CS2bが生成する徐変電流Iは、ある電流量IMAXから0に向かって時間とともに低下する。
【0049】
図8は、電流源CS2が生成する電流Ivを示す図である。電流Ivは、起動開始においてI+IMAXであり、時間とともに低下していく。第2トランジスタM2には、この電流IvのM倍の電流が流れ、第1トランジスタM1に供給される。
【0050】
図9は、図7の第2電流源CS2bの構成例を示す回路図である。第2電流源CS2bは、可変電圧源220および電圧/電流変換回路230を含む。可変電圧源220は、ある電圧レベルVaから0Vに向かって低下していく徐変電圧Vを生成する。
【0051】
電圧/電流変換回路230は、徐変電圧Vを、徐変電流Iに変換する。徐変電流Iは、徐変電圧Vに比例した電圧である。
【0052】
電圧/電流変換回路230は、第4トランジスタM4、第2抵抗R2、オペアンプOA1を含む。第2抵抗R2の一端は接地される。第4トランジスタM4のソースは、第2抵抗R2と接続される。オペアンプOA1の反転入力端子は、第2抵抗R2と接続され、非反転入力端子には、徐変電圧Vが印加される。電圧/電流変換回路230の入出力特性は以下の式で表される。
=V/R2
【0053】
可変電圧源220は、キャパシタC11、充電回路222、放電回路224を含む。充電回路222は、キャパシタC11に電圧Vaを印加し、徐変電圧Vを初期化する。たとえば充電回路222は、スイッチSW11を含む。
【0054】
放電回路224は、キャパシタC11から電流をシンクし、徐変電圧Vを低下させる。たとえば放電回路224は、スイッチSW12および定電流源CS3を含む。定電流源CS3に替えて、抵抗を用いてもよい。
【0055】
この構成によれば、時間とともに減少していく徐変電流Iを生成できる。
【0056】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【0057】
(付記)
本明細書には以下の技術が開示される。
【0058】
(項目1)
発振回路であって、
水晶振動子の第1端が接続されるべき第1端子と、
水晶振動子の第2端が接続されるべき第2端子と、
前記第1端子と前記第2端子の間に接続された第1抵抗と、
ソースが接地され、ゲートが前記第1端子と接続され、ドレインが前記第2端子と接続されたNチャンネルの第1トランジスタと、
ドレインが前記第1トランジスタの前記ドレインと接続され、ゲートにバイアス電圧が印加されたPチャンネルの第2トランジスタと、
を備え、前記発振回路の起動時における前記第2トランジスタの電流供給能力が、前記発振回路の定常発振中の前記電流供給能力に比べて大きい、発振回路。
【0059】
(項目2)
ゲートおよびソースが、前記第2トランジスタの前記ゲートと接続されており、前記第2トランジスタとともにカレントミラー回路を形成するPチャンネルの第3トランジスタをさらに備える、項目1に記載の発振回路。
【0060】
(項目3)
前記第2トランジスタのサイズが可変である、項目2に記載の発振回路。
【0061】
(項目4)
前記第2トランジスタのサイズが2段階で切り替え可能である、項目3に記載の発振回路。
【0062】
(項目5)
前記第2トランジスタのサイズが多段階で切り替え可能である、項目3に記載の発振回路。
【0063】
(項目6)
前記第3トランジスタに電流を供給する電流源をさらに備え、
前記電流源が生成する電流が可変である、項目2に記載の発振回路。
【0064】
(項目7)
前記電流源が生成する電流が、第1電流量から、前記第1電流量より少ない第2電流量に向かって連続的に減少する、項目6に記載の発振回路。
【0065】
(項目8)
前記電流源は、
第1端が接地された第2抵抗と、
第1端が前記第2抵抗の第2端と接続された第4トランジスタと、
出力が前記第4トランジスタのゲートと接続され、第1入力が前記第2抵抗の前記第2端と接続されたオペアンプと、
前記オペアンプの第2入力に、起動開始から時間とともに低下する基準電圧を供給する電圧源と、
を含む、項目7に記載の発振回路。
【0066】
(項目9)
前記電圧源は、
キャパシタと、
起動開始前に、前記キャパシタを充電する充電回路と、
起動開始後に、前記キャパシタを放電する放電回路と、
を含み、前記キャパシタの電圧が、前記基準電圧である、項目8に記載の発振回路。
【0067】
(項目10)
項目1から9のいずれかに記載の発振回路を備える、半導体集積回路。
【符号の説明】
【0068】
100 水晶発振器
102 水晶振動子
200 発振回路
M1 第1トランジスタ
M2 第2トランジスタ
M3 第3トランジスタ
R1 第1抵抗
IN 第1端子
OUT 第2端子
CM1 カレントミラー回路
202 半導体集積回路
210 制御回路
220 可変電圧源
222 充電回路
224 放電回路
230 電圧/電流変換回路
M4 第4トランジスタ
R2 第2抵抗
OA1 オペアンプ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9